Effect of Ultra-thin Catalyst Deposited upon $In_2O_3$ Thin Film on CO Sensitivity

$In_2O_3$ 박막위에 증착된 초박막 촉매가 CO의 검출 감도에 미치는 영향

$In_2O_3$-based thin film sensor with 500-600 nm thick was fabricated for the detection of CO gas by rf magnetron sputtering. In order to improve both sensitivity to CO gas and selectivity to hydrogen gas containing -CH, ultra-thin transition metal Co catalyst was sputtered over $In_2O_3$ thin film and annealed at $500^{\circ}C$. Sensitivity to CO was maximum at the thickness of Co 2.1 nm and $300^{\circ}C$, and that to $C_3H_8$ was at the thickness of Co 1.4 nm and $350-400^{\circ}C$. From the x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) result, ultra-thin Co was existed into CoO covered with $Co_2O_3$ on $In_2O_3$ particles, and thus p-n junction of $In_2O_3(n-type)$-CoO(p-type) was thought to be formed. In this p-n junction type sensors, sensing mechanism with reducing gases can be explained by the variation of depletion layer thickness formed in the interface.

CO 가스 감지를 위한 두께 500-600 nm $In_2O_3$를 기저 물질로한 박막센서를 rf magnetron 방법을 이용하여 제작하였다. CO가스에 대한 감도 향상 및 -CH가 포함된 탄화수소 가스들과의 선택성을 높이기 위해 전이 금속인 Cobalt 촉매를 rf sputtering을 이용하여 초박막 형태로 0.7-2.8 nm 까지 두께를 조절하여 증착하고 $500^{\circ}C$ 열처리 후 가스 감도 특성을 조사하였다. CO에 대한 감도는 Co 두께 2.1 nm, 작동온도 $350^{\circ}C$에서 가장 우수하였고, $350^{\circ}C{\sim}400^{\circ}C$, Co (1.4 nm) 에서 $C_3H_8$에 대한 감도가 우수함을 알 수 있었다. 광전자 분석법 (x-ray photoelectron spectroscopy;XPS)을 통하여 초박막 Co가 표면이 $Co_2O_3$가 덮어진 CoO 형태로 존재함을 알 수 있었고, $(n-type)In_2O_3$-(p-type)CoO의 p-n junction 이 형성되었음을 확인하였다. 이러한 p-n junction type 가스센서에는 접합 경계면에서 형성된 전하 공핍층 (depletion layer)의 두께 변화에 따른 저항 변화에 의해 환원성 가스에 대한 감응 기구 (sensing mechanism)를 설명할 수 있었다.